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第50卷第5期V〇1.50 No.5红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年5月May 2021受激布里渊散射相位共轭镜在高功率纳秒激光器中的应用进展王天齐K2,康治军孟冬冬u,邱基斯刘昊1'2(1.中国科学院空天信息创新研究院，北京1〇〇〇94;2.国家半导体泵浦激光工程技术研究中心，北京100094)摘要：受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS)是一种光学三阶非线性效应，其反射光具有相位共扼特性，在振幅、相位、偏振方面与入射光呈现时间反演关系，并保持与入射光相同的波前。
在主振荡功率放大（Master Oscillator Power-Amplifier, MOPA)结构的纳秒激光器中，激光放大器中的热效应及光路中大量的光学元件使传输光束存在严重的波前畸变，在恶化光束质量的同时也限制了功率进一步提升的可能性。
在此类激光器中使用基于受激布里渊散射的相位共扼镜（Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror, SBS-PCM)，使光束往返通过引入严重波前畸变的激光放大器能够实时补偿畸变，从而优化激光器的输出光束质量，并有利于功率的进一步提升，进而促进纳秒激光器向着兼顾高功率和高光束质量的方向发展，因此在高功率纳秒激光器中得到广泛应用。
文中首先从理论方面简要介绍了 SBS-PCM的基本原理及其相位共扼特性，其次对比了不同SBS-PCM介质的特点及适用范围，概述了国内外机构对SBS-PCM的研究进展及高功率纳秒激光器中SBS-PCM的典型应用情况及发展历程，并最终对SBS-PCM发展趋势进行了展望。
关键词：激光器；受激布里渊散射；相位共扼镜；高功率激光中图分类号：TN248.1 文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA20211024Application progress of the stimulated Brillouin scattering phase conjugate mirror in high power nanosecond lasersWang Tianqi1'2, Kang Zhijun1,2*, Meng Dongdong12, Qiu Jisi1'2, Liu Hao1-2(1. Aerospace Information Research Institure, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;2. National Engineering Research Center for DPSSL, Beijing 100094, China)Abstract: Stimulated Brillouin Scattering (SBS) is a third-order nonlinear optical effect, the reflected beam of which has the property of phase conjugation. The reflected beam is time inversed on amplitude, phase and polarization with the incident beam and maintains the same wavefront as the incident light. In the Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) nanosecond laser system, the thermal effect in the laser amplifiers and a large number of optical elements in the optical path cause serious wavefront distortion of the transmitted beam, which not only deteriorates the beam quality, but also limits the possibility of further power improvement. Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugate Mirror (SBS-PCM) is utilized widely in this kind of laser systemfor the fact that using SBS-PCM by making the beam transmit along a round trip in amplifiers which bring in收稿日期:2020-12-21;修订日期:2021 -01 -25基金项目:中国科学院条件保障与财务局短脉冲激光技术团队(GJJSTD20200009)作者简介:王天齐，男，助理研究员，硕士，主要从事固体激光器技术及非线性光学方面的研究。
受激布里渊散射效应
受激布里渊散射是一种光学非线性效应，它可以在光纤中产生声子（声波）和光子（光波）之间的相互作用。
当一束光通过光纤传输时，光子和声子之间会发生能量交换，从而导致光的频率发生偏移。
具体而言，受激布里渊散射的机制是通过声子引起光子的频率变化。
在光纤中存在微弱的声子振动，当光子与这些声子相互作用时，它们可以吸收或发射声子，从而改变光子的频率。
这种频率变化可以通过布里渊频移来描述，它是由声子的频率引起的。
受激布里渊散射效应在光纤通信中具有重要的应用。
一方面，它可以用来制备光纤激光器，通过激光器在光纤中产生受激布里渊散射来实现光纤放大器。
另一方面，受激布里渊散射也是一种光纤传感技术，可以利用光纤中声子的变化来测量温度、压力等物理量。
总之，受激布里渊散射是一种重要的光学效应，具有广泛的应用价值。
它不仅在光纤通信领域有重要作用，还在光纤传感、激光技术等方面具有潜在的应用前景。
受激布里渊散射波导
受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）是一种光学非线性效应，常常出现在光纤中。
当光波在光纤中传播时，光波与光纤内部的声波相互作用，产生了声光相互作用。
这种相互作用会导致光波的频率被转移给声波，从而产生散射光子。
这些散射光子具有与输入光波相同的频率偏移，并与声波经过的区域有关。
波导是一种可以限制和导引光波传播的结构。
在光纤中，波导通常由一根细长的玻璃纤维构成，而在其他器件中，波导可以采用不同材料和结构实现。
波导的核心功能是保持光波在波导中的传播，并限制光波的传输方向。
在受激布里渊散射中，波导通常扮演着两个角色。
首先，波导可以提供一种约束介质，使声波和光波之间的相互作用更强。
其次，波导可以限制声波和光波的传播方向，使它们保持在波导中，从而增加受激布里渊散射的强度和效果。
通过控制波导的尺寸、材料和几何形状，可以调整光波与波导内声波之间的相互作用强度，以及受激布里渊散射的效应。
这对于光纤通信、光纤传感和光波调制等应用非常重要，因为受激布里渊散射可以影响光信号的传输和调制特性，甚至可能导致光功率损耗和噪音增加。
因此，对波导中受激布里渊散射的研究和理解对于光学器件的设计和优化至关重要。
双包层光子晶体光纤受激布里渊散射慢光的研究及应用近年来,光纤通信技术高速发展,人们对超高速大容量的光纤通信需求不断提升,在这种时代背景下,全光通信网络技术是下一代通信技术的必然选择。
光缓存和光路由是实现全光通信网络过程中的关键技术,目前为止还没有成熟的技术和应用。
可控快慢光技术是实现光缓存的潜在技术之一,而在光纤中基于受激布里渊散射的快慢光具有工作波长灵活可调、室温下易操作等优点,因此受到广泛关注。
本文利用有限元法模拟计算了双包层As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub>硫化物光子晶体光纤结构对慢光特性的影响,分析了液体填充双包层光子晶体光纤慢光的温度响应。
主要研究内容及取得成果如下:考虑了声场的高阶模式,研究了双包层As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub>硫化物光子晶体光纤内、外包层结构对受激布里渊散射慢光特性的影响。
结果表明内包层占空比比外包层占空比对慢光的影响更大,且布里渊增益谱呈双峰结构,随内包层占空比的增加,布里渊增益谱的主峰逐渐降低,第二峰逐渐上升,时间延迟量和布里渊增益增加。
当内包层占空比为0.9时,光纤长度为1m,泵浦功率为10mW,就可以实现高达705ns的慢光时间延迟量,40dB的增益。
但这些特性受外包层占空比变化的影响较小,这是由于只有当内包层空气孔直径足够小时外包层空气孔才会对声场模式产生限制作用。
因此双包层As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub>硫化物光子晶体光纤的慢光特性受内包层占空比影响较大,而与内包层相比,这些特性受外包层占空比的影响很小。
在光子晶体光纤中靠近纤芯位置引入小空气孔包层并进行液体填充以改善慢光的温度灵敏度。
分析了填充乙醇和水两种液体在温度20℃到80℃范围变化下的声光耦合效率、有效折射率、有效模场面积、布里渊频移、布里渊阈值、增益、慢光时延量及脉冲展宽因子随温度的变化。
多模光纤中基于受激布里渊散射的光束净化效应研究受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)在光纤领域的研究中一直处于十分重要的地位。
一方面,人们渴望抑制光纤中的SBS效应所带来的各种不良影响;另一方面,科学家们又利用SBS特性进行了有关光纤传感、慢光和相位共轭等有利因素的研究并广泛应用于通信、建筑等诸多领域。
此外,多模光纤的SBS研究中还发现过一种称之为SBS光束净化的特殊效应,它能将光束质量恶劣的多模光束转化成为良好光束质量的基模光束。
SBS光束净化效应的发现为多模光纤中光束质量的改善提供了一条有利途径,但这种效应却违背了人们对于SBS具有相位共轭特性的传统认识。
自1993年SBS光束净化效应被发现以来,国际上不少课题组都开展过相关研究,但至今仍没有一套比较完整、合理的理论来解释SBS光束净化,甚至关于SBS 光束净化的发生条件及产生原因都还各执一词。
本论文便针对多模光纤中的SBS 光束净化进行了系统的理论和实验研究,建立了一套较为完整的SBS光束净化理论模型,合理解释了SBS光束净化的产生机制并明确提出了SBS光束净化的发生条件,还实验改善了之前泵浦转化效率低下、输出光束不稳定等制约其应用的关键性问题。
首先,我们建立了适宜于分析多模光纤中模间SBS过程的三维SBS耦合波方程。
该方程解决了传统平面波近似的SBS耦合模型下因忽略模式横向分布而无法分析不同模式间SBS差异的问题,同时使用弹性动力学理论建立声子场方程,更正了传统耦合波方程中的流体参数。
根据三维SBS耦合波方程的形式解,我们指出了多模光纤与体介质中SBS过程的区别并提出了使用―布里渊模间增益系数‖来分析不同模式间布里渊增益差别的方法。
其次,我们通过对三维SBS耦合波方程进行仿真分析给出了轴对称型多模光纤中各模式间布里渊增益的分布曲线,理论预测了各种光纤参数对模间布里渊增益的影响。
根据理论结果,我们明确提出了多模光纤中发生SBS相位共轭和光束净化的物理机制和产生条件,揭示了SBS光束净化的本质并加以实验佐证。
光纤激光器的详细介绍光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。
工作原理光纤是以SiO2为基质材料拉成的玻璃实体纤维，其导光原理是利用光的全反射原理，即当光以大于临界角的角度由折射率大的光密介质入射到折射率小的光疏介质时，将发生全反射，入射光全部反射到折射率大的光密介质，折射率小的光疏介质内将没有光透过。
普通裸光纤一般由中心高折射率玻璃芯、中间低折射率硅玻璃包层和最外部的加强树脂涂层组成。
光纤按传播光波模式可分为单模光纤和多模光纤。
单模光纤的芯径较小，只能传播一种模式的光，其模间色散较小。
多模光纤的芯径较粗，可传播多种模式的光，但其模间色散较大。
按折射菲菲内部可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。
以稀土掺杂光纤激光器为例，掺有稀土离子的光纤芯作为增益介质，掺杂光纤固定在两个反射镜间构成谐振腔，泵浦光从M1入射到光纤中，从M2输出激光。
当泵浦光通过光纤时，光纤中的稀土离子吸收泵浦光，其电子呗激励到较高的激发能级上，实现了离子数反转。
反转后的粒子以辐射形成从高能级转移到基态，输出激光。
类型按照光纤材料的种类，光纤激光器可分为：1、晶体光纤激光器。
工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和nd3+：YAG 单晶光纤激光器等。
2、非线性光学型光纤激光器。
主要有受激喇曼散射光纤激光器和受激布里渊散射光纤激光器。
3、稀土类掺杂光纤激光器。
光纤的基质材料是玻璃，向光纤中掺杂稀土类元素离子使之激活，而制成光纤激光器。
4、塑料光纤激光器。
向塑料光纤芯部或包层内掺入激光染料而制成光纤激光器。
按增益介质分类为：a)晶体光纤激光器。
工作物质是激光晶体光纤，主要有红宝石单晶光纤激光器和Nd3+:Y AG 单晶光纤激光器等。
光纤激光受激布里渊散射的动力学特性研究光纤激光中受激布里渊散射表现出了丰富的动力学特性,近年来已经引起了广泛的关注。
基于这些动力学特性,受激布里渊散射已经被广泛用于实现光通信系统中的布里渊放大器、光纤传感、脉冲压缩、信号处理技术(如光存储以及快慢光等)以及产生不同种类的光源。
然而在这些与受激布里渊散射相关的应用当中,仍然存在一系列的问题,如光纤激光器中有源增益对受激布里渊散射过程的影响、共振频率失谐对受激布里渊散射动力学特性的影响、受激布里渊散射过程中泵浦光和斯托克斯光之间的瞬时能量流动特性以及多模光纤中受激布里渊散射的动力学特性和阈值特性等,尚未有明确解释,需要进一步深入研究。
另外在高功率窄线宽脉冲光纤激光器中,包括受激布里渊散射在内的各种非线性效应已经成为限制其功率进一步提升进而制约其在地球科学、原子分子物理、频率变换、光束合成等领域的应用前景的主要因素。
本文针对上述问题开展了针对性的理论和实验研究,主要内容如下:论文首先回顾了目前关于光纤中受激布里渊散射动力学特性的研究进展,详细介绍了分别在单模和多模光纤内与受激布里渊散射效应相关的各种动力学特性的研究,阐明了进一步拓展和深入研究受激布里渊散射在光纤激光中的动力学特性的意义。
针对在高损耗稀土离子掺杂光纤激光器中的受激布里渊散射过程,从实验和理论两个方面证明了混合的布里渊和有源增益可以支持部分锁模现象的出现。
首先,设计了相应的实验方案,实验结果表明为了使得激光器内部分锁模现象能够出现,需要布里渊和有源增益同时存在;其次,还建立了描述这一动态过程的理论模型,较好地解释了实验结果;最后详细阐述了导致不同斯托克斯纵模之间相位实现部分同步的物理机制。
针对在连续泵浦下无外界反馈光纤中的受激布里渊散射过程,研究了共振频率失谐对受激布里渊散射动力学特性的影响。
从数值和理论结果中首次发现在无需克尔效应的参与下,共振频率失谐可以使得受激布里渊散射过程表现出丰富的动力学特性。
高功率双包层光纤激光器受激布里渊散射张韶冬，熊彩东电子科技大学物理电子学院，成都(610054)E-mail ：shaodongzhang163@摘 要：建立了考虑受激布里渊散射的光纤激光器速率方程，并采用打靶法对其求解，从理论上分析了高功率双包层光纤激光器的受激布里渊散射效应。
通过比较不同的纤芯直径、光纤长度以及掺杂浓度的情况下输出激光功率极限值的不同，发现增大纤芯直径、减小光纤长度以及降低掺杂浓度可以有效地减少受激布里渊散射的影响。
关键词：光纤激光器，受激布里渊散射，速率方程 中图分类号: TN248.1; O437.2 文献标识码: A1. 引言近年来，双包层光纤激光器得到了快速发展，输出功率水平快速提高[1]。
目前，受激布里渊散射是影响光纤激光器和光纤放大器输出功率提高的主要因素[2]。
它是一种在光纤内发生的非线性过程，达到阈值之后，它能将大部分泵浦能量转移到斯托克斯波上，从而限制光纤激光器输出功率[3]。
本文从速率方程出发，对单端泵浦方式下的光纤激光器的受激布里渊散射进行了详细的研究与讨论，得出了纤芯直径、光纤长度以及掺杂浓度对输出激光功率极限值的影响。
2. 理论模型双包层光纤激光器线形谐振腔模型如图 1所示，泵浦光从左端面注入，光纤长度为L ，1R 和2R 分别为前端面和后端面对激光的反射率，3R 为后端面对泵浦光的反射率[4]。
图 1 双包层光纤激光器线形谐振腔模型示意图在稳态条件下，考虑一阶受激布里渊散射，光纤激光器的速率方程可以表示为如下形式，由于反射回来的泵浦光比较小，由反向泵浦光产生的前向斯托克斯光也要小很多，所以我们将其略去，只考虑由前向泵浦光产生的反向斯托克斯光：()()()()()()21PP ap PSS as SP S P P ap ep PS S as es SP S PP P P h Ah AN N P P P P h Ah Aσσγγσσσσγτγ+−+−+−+−+Γ+Γ+=++Γ++Γ++()1 12N N N =−()2 21P B P ep ap P P P B P effdP g N N P P P P dz A σσα+++−+⎡⎤=Γ−−−⎣⎦()321P P ep ap P P P dP N N P P dzσσα−−−⎡⎤=−Γ−+⎣⎦ ()4 []21S S es as S S S dP N N P P dzσσα+++=Γ−− ()5 []21S S es as S S S dP N N P P dzσσα−−−=−Γ−+ ()6 B B B P B B effdP gP P P dz A α−−+−=−+()7式中：P P ±，S P ±，B P ±分别表示光纤中泵浦光、激光和布里渊斯托克斯光的功率（±代表正向和反向）；2N 和1N 分别为上、下能级粒子数浓度，N 为总的粒子数浓度；P Γ和S Γ分别为泵浦光和激光与纤芯的重叠因子；ep σ和ap σ分别为泵浦光发射和吸收截面，es σ和as σ分别为激光发射和吸收截面；P α、s α和B α分别为泵浦光、激光和布里渊斯托克斯光的散射损耗系数，由于布里渊频移相对较小，可以认为泵浦光与斯托克斯光有相同的光纤损耗，即B P αα=，后面的式子将用P α来代替B α；P γ和S γ分别为泵浦光和激光的频率；h 为普朗克常量；A 为纤芯面积；τ为2E 能级粒子的自发辐射寿命；B g 为布里渊增益系数峰值；eff A 为有效纤芯面积。
光纤激光器中的正反向泵浦光和激光功率可以通过边界条件连接起来，参照图 1，可以得到如下的边界条件：()()100S S P R P +−= ()8()()2S S P L R P L −+= ()9 ()()3P P P L R P L −+=()10 由于我们没有在z L =处注入后向斯托克斯光，所以B P −应该有如下初始值：()0B P L −=()11主要的计算参数为：920P nm λ=，1090S nm λ=，11510B g m W −=×，10.98R =，20.04R =，30.98R =，纤芯直径D 的变化范围为()2040m µ ，粒子数浓度N 的变化范围为()2532610m −× ，光纤长度L 的变化范围为()26m ，我们让这三者变化，来观察它们对光纤激光器输出功率的提高的影响。
需要采用打靶法并结合龙格库塔法、欧拉法等数值计算方法求解满足上述边界条件及初始值的微分方程组[7] [8]，使用Matlab 进行编程计算。
3. 计算结果和讨论3.1 输出功率随入射功率的变化输出功率随入射功率的变化曲线如图 2所示，图 2中的参数设置为30D m µ=，253410N m −=×，2L m =。
起初，激光功率随着泵浦光功率的增加而线形增加，当泵浦光功率增加到一定程度时，布里渊散射达到阈值，布里渊斯托克斯光功率迅速增加，激光功率则因此而达到极限。
图 2 输出激光功率和入射口斯托克斯光功率随泵浦光变化曲线3.2 纤芯直径对输出功率的影响不同的纤芯直径对输出功率的影响如图 3所示，图中，光纤长度为2m ，粒子数浓度为253410m −×。
从图 3中还可以发现，随着纤芯直径的增大，输出激光功率的容限值越来越高。
因此，采用大直径纤芯的光纤有利于减少受激布里渊散射的影响，而且纤芯直径的大小对输出激光功率容限值的影响最为显著，这也是大模场光纤一直倍受关注的原因之一。
图 3 输出激光功率与纤芯直径的关系3.3 光纤长度对输出功率的影响不同的光纤长度对输出功率的影响如图 4所示，图中，纤芯直径为40m µ，粒子数浓度为253410m −×。
从图 4中可以看出，随着光纤长度的增大，输出激光功率的容限值越来越低。
因此，想得到较高的激光输出功率，应适当减少光纤长度。
图 4 输出激光功率与光纤长度的关系3.4 掺杂浓度对输出功率的影响µ，不同的掺杂浓度对输出功率的影响如图5所示，图中，纤芯直径为纤芯直径为40m 光纤长度为4m。
从图5中可以看出，随着掺杂浓度的增大，激光输出功率的容限值越来越小。
因此，在实际的高功率双包层光纤激光器中，为了获得较高的输出激光功率，可以适当的采用降低了掺杂浓度的光纤。
图 5 输出功率与掺杂浓度的关系需要补充说明的是，由于本文忽略了由反向泵浦光产生的前向斯托克斯光，所以计算得到的激光输出功率会比实际情况略大一些。
另外，由于计算的误差、精确度等问题，所以计算得到的曲线难免会不够平滑，但是不会影响我们对结果进行分析。
4. 结论本文依据考虑了受激布里渊散射的速率方程，从理论上分析了高功率光纤激光器的受激布里渊散射效应。
分析表明：第一，随着注入泵浦功率的提高，起初，输出激光功率线形增加，受激布里渊散射效应并不明显，但是当泵浦功率提高到一定程度的时候，受激布里渊散射效应迅速变得显著，斯托克斯光功率迅速增加，而输出激光功率则因为受到受激布里渊散射的影响而无法提升，达到极限；第二，光纤纤芯直径、光纤长度、掺杂浓度对光纤激光器最大输出激光功率有较大的影响，增大纤芯直径、减小光纤长度、减小掺杂浓度有利于减少光纤激光器中受激布里渊散射的影响，提高最大输出激光功率。
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